Lagring av data genom lasergravering

Först utvecklade 1960 har laserer ökat i popularitet under de senaste åren. Den globala marknaden för laserteknik förväntas växa till $35.4 bln år 2032. Denna tillväxt drivs av den ökande efterfrågan på laserer inom olika sektorer, inklusive kommunikation, försvar, vetenskap, säkerhet, datalagring och mer.

Laserer, som är enheter som avger ljus via optisk förstärkning, används i stor utsträckning för gravering. Lasergravering är en process för att skapa markeringar på en produkts yta, såsom QR-koder, streckkoder, logotyper och serienummer. Dessa markeringar innehåller viktig information för att spåra ursprunget till en viss produkt genom hela dess livscykel, vilket säkerställer dess säkerhet och hållbarhet. Dessutom används för att skapa konstverk för produkter.

Lasergravering faller under en större kategori av lasermärkning, som också inkluderar laserannealing – en process som värmer materialet – och lasergravyr, som innebär förångning av materialet. Laser är mycket mångsidig och kan gravera de flesta metaller.

Så, hur fungerar detta?

För att skapa en markering avger laserstrålen en stor mängd energi till ett koncentrerat område, vilket smälter materialets yta. När ytan expanderar och svalnar bildas den önskade markeringen. Till skillnad från andra processer som bara ändrar färg eller textur på ytan, förändrar lasergravering faktiskt ytan och skapar ett upphöjt eller nedsänkt område med en grövre textur.

Således, genom att förändra ytan på ett material med hjälp av en laser, skapas olika permanenta mönster och designer.

Olika typer av laser som används för gravering inkluderar fiber, CO2, kristall, diodlaser och diodpumpade fastfaslaser.

Denna metod för att skapa markeringar på ett material erbjuder fördelar såsom snabbhet och omfattande anpassning. Det är också en kontaktfri metod som inte orsakar kemiska reaktioner eller mekaniska påfrestningar och ger markeringar av överlägsen kvalitet. Lasergravering kan även tåla icke-slitande behandlingar såsom pulverlackering.

Dessutom kan lasergravering användas på en mängd olika material såsom trä, läder, plast, glas, keramik, naturlig sten och halvledare. Det är också effektivt på nästan alla metaller, inklusive aluminium, anodiserat aluminium, bly, magnesium, stål, zink, koppar, mässing och titan kan gravera. I princip kan nästan alla typer av material lasergraveras. 

Lasergravering är dock inte utan problem, såsom höga initiala kostnader för maskiner. Dessutom kan markeringarna slitas ut i abrasiva miljöer, som de som utsätts för sandblästring.

Trots dessa utmaningar överväger fördelarna med lasergravering dess nackdelar, vilket gör den rekommenderad för de flesta märkningsapplikationer. Lasergravering används i stor utsträckning över många industrier för sin mångsidighet, effektivitet och precision, inklusive fordonsindustrin, elektronik, förpackning och försvarsmaterialtillverkning, smycken, konst och medicintekniska produkter.

En annan intressant tillämpning av lasergravering är datalagring. För mer än ett decennium sedan talade Hitachi om bevara information för hundratals miljoner år genom att laserkoda den i skivor av kvartsglas. Tekniken tog dock inte itu med problemet att hantera den enorma mängden data. 

För några år sedan lagrade Peter Kazansky, professor vid Optoelectronics Research Centre vid University of Southampton, lagrade 500 terabyte data på en liten glaskiva via lasergravering.

Modifiering av polysulfidyta med låg effekt laser

Med tanke på de enorma fördelarna med lasergravering letar forskare och vetenskapsmän alltid efter sätt att förbättra tekniken och hitta nya tillämpningar. Nyligen upptäckte forskare från Flinders Universityupptäckte att en billig, ljusresponsiv svavelbaserad polymer är mottaglig för låg effekt, synligt ljuslaser. 

Vanligtvis, för att förändra polymerytor, som består av mycket stora molekyler, krävs laser med mycket hög effekt. Med hög effektlaser kan högteknologisk elektronik, biomedicinska produkter och datalagringskomponenter produceras. Med den senaste upptäckten kan vi se mer prisvärda och säkrare produktionsmetoder. 

Enligt forskningsassistent och medförfattare Dr Lynn Lisboa:

“Denna upptäcks inverkan sträcker sig långt bortom laboratoriet, med potentiell användning i biomedicinska enheter, elektronik, informationslagring, mikrofluidik och många andra funktionella materialtillämpningar.” 

Publicerad i Angewandte Chemie International Edition, studie noterar vikten av att modifiera polymerytor med laserljus för att stödja framsteg inom olika områden, samtidigt som den påpekar att sådana förändringar vanligtvis kräver dyra, hög effekt laser, vilka dessutom kräver speciella verktyg och anläggningar för att minska risken för exponering för farlig strålning. Dessutom är polymersystemen själva ofta komplicerade och dyra att utveckla så att laser kan förändra dem enkelt. 

Därför behövs polymerer som är lättillgängliga och reagerar när de utsätts för låga nivåer av strålning, eftersom det skulle innebära enklare, säkrare och mer ekonomiska lasersystem.

Upptäckten av billiga och snabbt föränderliga svavelkopolymerer med hjälp av laser som levererar låg effekt synligt och osynligt infrarött ljus svarar mot dessa behov. För att skapa svavelkopolymerer använde forskarna elementärt svavel (S) och antingen cyklopentadien eller diklopentadien. 

Sedan, med hjälp av en uppsättning låg effekt våglaser med våglängder på 532, 638 och 786 nm, kunde teamet modifiera polymerernas ytor. Dessa modifieringar inkluderar gravering genom avdunstning eller kontrollerad svällning.

Studien använde sedan polymersystemens modifiering genom laser och enkel syntes i två tillämpningar – raderbar informationslagring och direkt laserlitografi. Den höga svavelhalten i dessa polymerer ger en mängd kemiska, fysiska och optiska egenskaper, vilket möjliggör olika tillämpningar inom energilagring, termisk avbildningsoptik och metallbindning.

Sedan finns S−S-bindningarna som kan brytas och återbildas, vilket möjliggör återställning och användning. S−S-bindningarnas egenskap i svavelkopolymerer är vad som ledde till studiens upptäckter. Specifikt noterade forskarna att kopolymerens yta var synligt förändrad redan efter en exponering på mindre än 1 sekund till en 690 nm, 1,10 mW diodlaser. Studien konstaterade:

“Med tanke på den låga laserstyrkan och korta exponeringstider var denna snabba polymermodifiering en överraskning.” 

Lasermodifieringar möjliggör raderbar informationslagring

Den kemijournal där studien publicerades innehöll också en lasergraverad version av den berömda Mona Lisa-graveringen tillsammans med utskrift av en mikro-braille, som var mindre än till och med huvudets rundning på en nål.

Finansierad av Australian Research Council, Flinders Microscopy and Microanalysis, ANFF-SA och Microscopy Australia, lyfter studien fram en upptäckt som kan bana väg för användning av mer hållbara material. Specifikt använde studien en polymer tillverkad av den lågt kostade industriavfallsprodukten elementärt svavel. Dessutom kan denna metod minska behovet av dyr, specialiserad utrustning. Det är dock viktigt att notera att hög effektlaser medför risken för farlig strålning.

Upptäckten gjordes under en rutinanalys av en polymer som uppfanns för två år sedan i Chalker Lab av doktorand Samuel Tonkin och professor i kemi Justin Chalke från Flinders University Institute for NanoScale Science and Engineering.

Den nya polymeren visade sig modifieras så snart laserljuset rörde dess yta. Detta, enligt studiens medförfattare och Flinders University-forskare Dr Christopher Gibson, var ett “ovanligt svar” som inte har observerats tidigare på någon annan vanlig polymer. Han sade:

“Vi insåg omedelbart att detta fenomen kunde vara användbart i ett antal tillämpningar, så vi byggde ett forskningsprojekt kring upptäckten.”

Genom att kalla detta en spännande utveckling sade Abigail Mann, doktorand vid Flinders College of Science and Engineering, att genom att använda nya tekniker för att tillverka strukturer i mikrometer- och mindre skala för svavelbaserade material, hoppas de “inspirera ett brett spektrum av verkliga tillämpningar i vårt laboratorium och bortom”.

Denna upptäckt ger ett nytt sätt att generera precisa mönster på polymerytan. Sådan förmåga har potentiella tillämpningar i biomedicinska enheter med mönstrade ytor, nya metoder för att använda polymerer i datalagring, och alternativa tillvägagångssätt för tillverkning av nanoskaliga enheter för mikrofluidik, sensorer och elektronik.

I en praktisk demonstration av dess potential för raderbar informationslagring visade studien förmågan att koda ett meddelande i Braille. Detta uppnåddes genom att använda en laser för att skapa upphöjda punkter på materialet, utnyttjande de dynamiska S−S-bindningarna och egenskaper liknande vitrimer – en kategori av plast som möjliggör både skrivning och radering av meddelandet. 

För att skapa stavningen av “hemligt meddelande” i Braille använde forskarna en laser med en lägre laserinställning (638 nm, 2,4 mW). De upphöjda punkterna, som hade en höjd på 3,6 μm±0,2 μm, bildades genom att exponera polymerens yta för laser i endast 1,3 sekunder.

Sedan använde teamet en högre effektinställning (638 nm, 5,4 mW) för att skapa gropar i hörnen genom avdunstning och materialborttagning. Även här var laserexponeringen 1,3 sekunder.

Studien fann att den termiska behandlingen raderade de upphöjda punkterna när de inkuberades i en ugn vid 160 °C i 5 timmar. Groparna som bildades genom avdunstning förblev intakta eftersom polymeren permanent förlorade svavel.

Processen för avtaglig informationskodning, enligt studien, “utgör en ny riktning inom fotoresponsiva material, med fördelar i enkel materialsyntes och användning av låg effekt laser.”

Studien demonstrerade vidare genereringen av en komplex, mikroskala bild med direkt laserlitografi. Med en 532 nm laser som kördes på 7 % effekt (1,3 mW) genererade Flinders forskarteam de finare linjerna i “Micro Lisa”. Mikrobilden var cirka nio μm bred och två μm djup. Mikron eller mikrometer, representerade som µm, motsvarar en miljon del av en meter.

Med en högre effektlaser (3,0 mW) genererade teamet sedan de bredare och djupare linjerna i den 23 μm breda och fem μm djupa fyrkantiga ramen. Denna direkta laserlitografi, enligt teamet, är särskiljande genom den låga kostnaden för polymersubstrat och enkelheten i lasersystemet.

Klicka här för att lära dig hur laser kan förändra moderna datorer.

Slutsats

Som vi såg i denna studie, med hjälp av låg effekt synligt och infrarött laserljus, kunde forskarna modifiera kopolymerer. Modifieringarna har varit snabba, med exponeringstider som är extremt korta — från millisekunder, en tusendel av en sekund, till en sekund. Denna tidsram kan vara av betydande fördel i olika industrier, särskilt de som kräver att hela prototyp- och tillverkningsprocesser utförs snabbt.

Genom att kontrollera våglängden, diametern och effekten på strålen kunde forskarna skapa upphöjda punkter, hål, gropar, kanaler och spikar på polymerytan. Denna mångsidighet innebär att även komplexa mönster kan skapas, vilket kan förbättra funktionalitet och möta specifika tillämpningar. 

Men det är inte allt. Genom att helt enkelt värma provet kunde forskarna dessutom radera polymerens svällningsmodifieringar. Dessa möjligheter är betydelsefulla, som teamet demonstrerade med direkt laserlitografi av komplexa bilder och raderbar informationskodning.

Denna studie har inte bara tillhandahållit en enkel metod samt låga kostnadsmaterial och lasersystem som kan hjälpa till att erbjuda mer tillgängliga och kostnadseffektiva lösningar, utan kan också vara specifikt användbar i kryptering, datalagring och många andra områden där tillfälliga modifieringar behövs.

Klicka här för att lära dig varför laser kommer att spela en avgörande roll under de kommande dagarna.